关于低碳甲醇/柴油RCCI发动机缸内燃烧能量分布及排放物形成特性的研究

《Energy》：Study on in-cylinder combustion energy distribution and emissions formation characteristics of a low-carbon methanol/diesel RCCI engine

针对甲醇/柴油重组压燃（RCCI）模式燃烧稳定性差及排放复杂的问题，通过实验与仿真分析甲醇替代率（MSR）对燃烧特性、能量分布及排放的影响，揭示了HO2自由基促进NO向NO2转化的机理，并证实高负荷下有效功比例提升至40.14%，同时显著降低CO2、NOx和碳烟排放。

　　

杨子怡|赵凯|窦占成|孟中伟|谭炳乾|朱强勇|钱莉|刘俊恒

江苏大学汽车与交通工程学院，镇江212013，中国

摘要

甲醇/柴油RCCI模式是一种低碳燃烧技术，但存在燃烧稳定性差和非传统排放物高的问题。为了明确甲醇/柴油RCCI模式下的缸内燃烧机制和排放物形成过程，本研究采用实验和仿真方法分析了甲醇替代率（MSR）对缸内组分、燃烧稳定性、能量分布和排放特性的影响。结果表明，与纯柴油（D100）模式相比，甲醇/柴油双燃料（M40D60）模式下的缸内燃烧温度总体下降。主要燃烧阶段主导了NO的生成，而甲醇氧化产生的HO₂自由基促进了NO向NO₂的转化。CH₃OH和HCHO分布在柴油扩散火焰的非接触区域和间隙体积中。随着MSR的增加，缸内燃烧压力和燃烧波动增大，峰值压力阶段提前，热释放率曲线从双峰变为单峰。由于甲醇的火焰传播更快且燃烧等容效率提高，有效功比例显著增加，排气和冷却损失显著减少。在满负荷下，当MSR从0增加到40%时，有效功比例从38.72%增加到40.14%，而排气和冷却损失分别从31.01%减少到30.14%，从19.34%减少到17.41%。RCCI模式显著降低了CO₂、NOx和烟尘排放，但导致HC、NO₂和NO₂/NOx比率迅速增加。与D100模式相比，M40D60模式下的NO₂/NOx比率从4.97%增加到60.74%。

引言

内燃机（ICEs）因其出色的热效率、高功率密度和强大的可靠性而在交通运输和建筑机械等各个领域得到广泛应用[1,2]。然而，内燃机运行过程中产生的NOx、PM和HC不仅对生态环境质量有显著负面影响，还对人类健康构成潜在威胁[3,4]。面对日益严格的全球排放法规和不可再生资源（如化石燃料）的持续消耗，研究人员从两个方向进行了相关优化研究。首先，改进燃烧室结构和优化运行参数以增强缸内燃烧，提高燃料利用率并减少有害排放[5]。其次是开发低碳或零碳替代燃料，如酒精[6]、天然气[7]、氢[8]和氨[9,10]，以缓解不可再生能源的供应压力并优化能源消费结构。

基于酒精的燃料因其原材料多样化和可再生性而被视为极具前景的替代燃料选项。其中，甲醇因其独特的物理化学性质和工程适应性成为关键研究对象[11]。首先，甲醇具有单一化学成分，碳含量仅为37.5%，这显著减少了CO和HC等不完全燃烧产物。其次，甲醇的高氧含量是使其区别于传统化石燃料的关键特征。一方面，充足的氧元素促进了油气混合物在缸内的均匀分布，抑制了局部富燃料区域的形成，从而提高了燃烧效率。另一方面，氧的充分参与加速了燃烧过程，降低了HC等不完全燃烧产物的排放。同时，甲醇的高蒸发潜热降低了缸内温度，从源头上抑制了NOx的形成和排放。此外，甲醇原料供应的多样性不仅确保了燃料的可用性，还促进了全球碳排放的减少[12]。总之，甲醇凭借其清洁燃烧特性、在污染物排放控制方面的优势以及多样的原料供应，为替代传统化石燃料提供了有效的解决方案，同时平衡了内燃机的动力性能和环境要求。

除了替代燃料外，先进的低温燃烧策略也被证明可以有效减少发动机排放。与传统柴油燃烧相比，均质充量压缩点火（HCCI）[13]、预混合充量压缩点火（PCCI）[14]和反应性控制压缩点火（RCCI）[15]通过控制当量比和燃烧温度可以显著抑制NOx和烟尘的生成。然而，HCCI和PCCI通常存在燃烧可控性差、工作范围窄和工程适应性有限的问题，这限制了它们的实际应用。通过引入化学反应性差异显著的燃料，RCCI模式可以在缸内形成反应性分层，实现燃烧阶段的精确控制[16]。与传统双燃料扩散燃烧不同，RCCI模式主要通过低温预混合氧化反应进行控制，显著降低了缸内峰值温度，有效抑制了NOx和烟尘的生成。

关于甲醇/柴油双燃料发动机，现有研究系统地研究了运行参数对缸内燃烧和排放特性的影响[17,18]。Tao等人[19]通过实验研究了柴油喷射时机、柴油喷射量和甲醇替代率（MSR）对甲醇/柴油双燃料发动机燃烧和排放特性的影响。结果表明，适当提前柴油喷射时机并结合废气再循环（EGR）可以显著抑制排放，NOx和烟尘排放分别减少了88%和61%。Yang等人[20]模拟了MSR、初始缸内条件和柴油喷射参数对甲醇/柴油双燃料发动机燃烧和排放特性的影响。结果表明，在低负荷条件下，用甲醇替代柴油有利于减少污染物排放，而在高负荷条件下则有利于提高燃油经济性。Yin等人[21]通过实验研究了MSR和柴油喷射时机对甲醇/柴油直喷发动机性能的影响。结果表明，MSR和柴油喷射时机是影响燃烧阶段和热释放过程的关键因素。通过优化MSR，可以实现指示热效率和NOx排放的协调优化。当MSR达到50%时，指示热效率达到最大值41.5%。Bùi等人[22]对甲醇的喷射量、喷射时机和喷射位置对甲醇/柴油双燃料发动机混合物形成和燃烧过程的影响进行了仿真研究。结果表明，提前喷射起始点可以提高混合物的均匀性并加速火焰传播，但会导致NOx排放增加。在进气侧增加甲醇喷射量可以提高混合均匀性，使燃烧效率和热效率分别提高8%和4.3%，而NOx排放增加了50%。

由于甲醇的强极性，它可能在发动机应用中引起材料兼容性问题[23,24]。Wang等人[25]通过分子动力学模拟和实验测试系统研究了甲醇与黄铜、铜、铝合金和低碳钢等材料的相互作用。结果表明，不同金属在甲醇环境中的主要失效形式是腐蚀，但腐蚀强度存在显著差异。其中，铝合金和低碳钢表现出可检测的表面腐蚀行为，而黄铜和铜保持了表面稳定性。为了提高铜合金轴承在甲醇燃料泄漏条件下的摩擦学和耐腐蚀性能，Xiao等人[26]对比研究了环氧树脂改性涂层与Ti₃AlC₂和GNP复合改性的效果。结果表明，随着Ti₃AlC₂添加量的增加，涂层的耐腐蚀性显著提高。Cai等人[27]使用高压反应器模拟了甲醇燃烧环境，研究了用于活塞的16CrMo合金的腐蚀行为。结果表明，水和甲醇的存在导致了16CrMo合金的气溶胶腐蚀，而甲醇对其腐蚀行为的影响相对较小。

尽管许多研究系统地探讨了甲醇/柴油双燃料发动机的燃烧和排放特性以及材料兼容性问题，但由于甲醇含有氧，它不仅减少了碳排放，也带来了NOx排放的挑战。NO和NO₂的比例变化直接决定了后处理系统的转化效率。因此，有必要系统地研究缸内的微观燃烧过程以及NO和NO₂之间的转化过程，并进一步分析燃烧能量分布的特性和关键自由基在NO和NO₂转化过程中的作用机制。本研究结合了发动机台架实验和三维计算流体动力学（CFD）仿真，系统地研究了高负荷条件下甲醇/柴油RCCI发动机的燃烧特性、能量分布和污染物生成及演变过程。基于四缸高压共轨柴油发动机，通过安装甲醇喷射系统实现了甲醇/柴油RCCI燃烧模式。首先，研究了MSR对高负荷下RCCI发动机能量分布、燃烧和排放特性的影响。其次，使用CONVERGE软件开发了RCCI发动机的3D燃烧仿真模型，结合了甲醇/柴油的化学动力学机制和子模型。通过实验结果验证了仿真模型的可靠性。最后，进行了数值仿真，分析了甲醇/柴油RCCI发动机内的燃烧微观过程，深入分析了缸内温度、当量比和各种组分的时空演变，揭示了RCCI模式的排放特性。

实验台系统

本研究使用了四缸高压共轨发动机进行实验研究。通过在进气歧管上安装甲醇燃料喷射系统实现了甲醇/柴油RCCI燃烧模式。以改进后的发动机为核心，结合发动机电子控制系统、实验参数测量系统和废气排放测量系统，建立了甲醇/柴油RCCI发动机测试台架系统，如图1所示。

高负荷下甲醇/柴油RCCI模式的缸内组分分布

图4展示了70%和100%负荷下D100和M40D60模式下缸内温度、当量比和排放浓度的时空分布特性。在70%负荷下，D100和M40D60模式的主要燃烧阶段（4-16 °CA ATDC）主要依赖于扩散燃烧。柴油喷射后，柴油喷雾与高温气体相互作用并冲击缸壁，从而形成两个不同的燃烧区域

总结与结论

本研究结合台架测试和数值仿真系统地研究了MSR对70%和100%负荷下甲醇/柴油RCCI发动机微观燃烧过程、燃烧稳定性、能量分布和排放组分的影响。主要结论如下：

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与D100模式相比，M40D60模式下的缸内燃烧温度总体下降，高温区域减小。由于燃料量减少，当量比也降低了

CRediT作者贡献声明

杨子怡：撰写——初稿、软件开发、数据整理。赵凯：验证、资源提供、形式分析。窦占成：撰写——审稿与编辑、资源提供。孟中伟：监督、研究工作。谭炳乾：方法论研究、研究工作。朱强勇：可视化处理、监督、形式分析。钱莉：可视化处理、研究工作。刘俊恒：撰写——审稿与编辑、资金争取、概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家重大农业项目（编号：NK20221601）和智能农业动力设备国家重点实验室（编号：SKLIAPE2024005）的支持。同时，也非常感谢YTO集团有限公司和洛阳拖拉机研究院有限公司的帮助。